變電站智能自動化設(shè)備的通信與集成技術(shù)

曾柳霞

[摘要]本文根據(jù)國、內(nèi)外變電站自動化技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用現(xiàn)狀，從實際工程應(yīng)用的角度，闡述了變電站智能化設(shè)備的必要性以及智能設(shè)備的構(gòu)成和特點，探討了從系統(tǒng)設(shè)計出發(fā)的集成思路，同時對變電站智能設(shè)備的進(jìn)一步發(fā)展提出了一些設(shè)想。

[關(guān)鍵詞]變電站自動化：數(shù)據(jù)通信：智能設(shè)備：系統(tǒng)集成：計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)

1、引言

近年來，計算機(jī)芯片及網(wǎng)絡(luò)等新技術(shù)的不斷采用，從根本上改變了傳統(tǒng)變電站二次設(shè)備的基本面貌，全數(shù)字化的設(shè)備、以網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的系統(tǒng)，輔以成熟的調(diào)度自動化系統(tǒng)，正在不斷地提高變電站運行的自動化程度和可靠性，從原來的分部分的變電站設(shè)備及運行狀態(tài)的監(jiān)測發(fā)展到整個變電站設(shè)備監(jiān)控的集成的自動化系統(tǒng)，已基本做到了自動化應(yīng)能實現(xiàn)的功能，即不再是好看不好用的花架子，而是真正可以解決和滿足生產(chǎn)實際運行中出現(xiàn)的問題和需要，無人值班變電站及變電站自動化系統(tǒng)已基本被用戶接受并使用。在實際應(yīng)用中，國內(nèi)、外不同的專業(yè)廠家分別推出了具有不同特點的系統(tǒng)，基本上都能滿足系統(tǒng)的運行要求，但在不同程度上，由于開發(fā)的背景、運行經(jīng)驗及技術(shù)水平的限制，仍有相當(dāng)一部分系統(tǒng)存在者功能重復(fù)設(shè)置，沒有做到信息資源共享，從而導(dǎo)致了現(xiàn)場接線復(fù)雜、系統(tǒng)的各部分接口的通信規(guī)約不一致，增加了投資并影響了系統(tǒng)的可靠性，這就大大影響了整個系統(tǒng)的開放性及可擴(kuò)展性。出現(xiàn)這些問題的主要原因便是缺乏系統(tǒng)設(shè)計及在系統(tǒng)設(shè)計思路指導(dǎo)下的各組成部分(智能單元)的開發(fā)。由于以往變電站二次部分的開發(fā)是分保護(hù)、測量、監(jiān)控等各專業(yè)獨立開發(fā)、功能相對獨立設(shè)置的，由此為滿足系統(tǒng)的功能配置要求而在“搭系統(tǒng)”，從而導(dǎo)致要么底層控制單元無法投入系統(tǒng)，信息傳送不上來，就是系統(tǒng)要求的功能底層控制設(shè)備單元不具備。針對上述問題，本文試圖從整體系統(tǒng)設(shè)計思想人手，討論對變電站內(nèi)智能化設(shè)備的基本要求及其構(gòu)成、系統(tǒng)集成的基本思想，以供同行討論參考。

2、變電站自動化的特點及智能設(shè)備的構(gòu)成

國內(nèi)變電站二次產(chǎn)品早期開發(fā)過程是按保護(hù)、測量、控制和通信部分分類獨立開發(fā)，隨著技術(shù)的進(jìn)步以及電力系統(tǒng)自動化的要求，變電站自動化工作的開展首先從遠(yuǎn)動、自動化及通信專業(yè)開始，初期開展的工作只是對站內(nèi)的部分狀態(tài)量及模擬量數(shù)據(jù)采集并處理的微機(jī)監(jiān)視或監(jiān)控系統(tǒng)，隨著調(diào)度自動化及微機(jī)保護(hù)的成熟及應(yīng)用，變電站自動化及無人值班運行模式便成為實際的需要和急待解決的課題。變電站自動化近幾年的發(fā)展?fàn)顩r大致存在集中式及分布式兩種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，由于電力系統(tǒng)管理方式及二次產(chǎn)品開發(fā)的歷史原因，大多數(shù)系統(tǒng)仍采用的是按功能“拼湊”的方式開展，沒有按工程的實際需要及正確的系統(tǒng)設(shè)計指導(dǎo)思想進(jìn)行，從而導(dǎo)致系統(tǒng)的性能指標(biāo)下降以及出現(xiàn)許多無法解決的工程問題。從對分布、開放性以及系統(tǒng)整體的發(fā)展趨勢來看，采用分布式測控、保護(hù)、自動裝置及計算機(jī)局域網(wǎng)的結(jié)構(gòu)方式顯然比較優(yōu)越。采用分布、開放性的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和計算機(jī)局域網(wǎng)技術(shù)的變電站自動化系統(tǒng)，各現(xiàn)場單元可完全脫離系統(tǒng)獨立運行，單個裝置的故障不影響系統(tǒng)的正常運行，從而達(dá)到“分散布置、集中管理”的目的，加強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性和可擴(kuò)充性。這種構(gòu)成模式正越來越被我國電力系統(tǒng)所接受，其最大特點就是盡可能地充分利用軟、硬件資源，并盡可能地共享軟、硬件和系統(tǒng)資源，并且利用通信網(wǎng)絡(luò)代替大量的控制信號電纜，避免設(shè)備重復(fù)設(shè)置，多次投資。

根據(jù)IEC國際電工委員會電力系統(tǒng)控制與通信技術(shù)委員會的劃分以及變電站自動化系統(tǒng)的特點，變電站內(nèi)的設(shè)備可劃分為如下三個層次。

設(shè)備層：包括各種一次設(shè)備象開關(guān)、線路、變壓器、電容器、CT／PT等。

間隔層：是各種二次設(shè)備包括采集、測量、控制、保護(hù)、自動裝置、故障濾波等，它們大多能獨立完成某種功能，且具有與外部進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的能力。

變電站管理層：對整個變電站進(jìn)行安全監(jiān)視、控制、操作，并與變電站外部進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，如當(dāng)?shù)乇O(jiān)控微機(jī)、與控制中心通信的網(wǎng)關(guān)等。

圖1標(biāo)示了變電站內(nèi)的三個層次和它們之間的數(shù)據(jù)交換。從對變電站電能傳輸、分配進(jìn)行檢測、控制和管理的觀點出發(fā)，可以認(rèn)為變電站由母線、變壓器、線路、電容器等基本元件組成；一個基本元件通過一個或多個間隔向二次系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)，接收二次系統(tǒng)的控制命令。根據(jù)每一個基本元件自身的特性和檢測、控制要求，并按照基本元件內(nèi)部數(shù)據(jù)采集及故障檢測和隔離由元件自身解決的原則，設(shè)計每一種基本元件對應(yīng)一種硬件結(jié)構(gòu)即智能電子設(shè)備(IED)。

從圖中還可以看出，在設(shè)備層和間隔層之間的數(shù)據(jù)交換量不大，主要是設(shè)備間向間隔層提供運行中的各種I／O信號，間隔層向設(shè)備發(fā)出控制信號等。

在間隔層和變電站管理層之間，存在大量的數(shù)據(jù)交換，一方面，間隔層內(nèi)的各種智能設(shè)備需要把采集到的信息及時上傳至當(dāng)?shù)乇O(jiān)控系統(tǒng)和通過通信處理機(jī)送到遠(yuǎn)方控制中心，不僅數(shù)據(jù)量大，而且要求具有很高的實時性，象站內(nèi)的事件順序記錄需達(dá)到毫秒級，測量值及信號的刷新時間需在3秒之內(nèi)完成。另一方面，變電站層的系統(tǒng)時鐘、控制與調(diào)節(jié)命令、運行參數(shù)的整定命令，也要快速下發(fā)至各智能設(shè)備。

間隔層的各智能設(shè)備之間，也存在著部分?jǐn)?shù)據(jù)交換，但這種交換量不大，對實時性要求也不高。而且由于保護(hù)設(shè)備大都是獨立的設(shè)備，故與其它裝置的數(shù)據(jù)交換很少。其它智能設(shè)備，也存在一定量的數(shù)據(jù)交換。

基于以上情況，設(shè)計中的變電站自動化系統(tǒng)考慮了在間隔層橫向按站內(nèi)一次設(shè)備分布式的配置，有條件時，還可將間隔層設(shè)備安裝在開關(guān)柜上；各間隔設(shè)備相對獨立，僅通過站內(nèi)通信網(wǎng)互聯(lián)，并同變電站層設(shè)備進(jìn)行快速通訊。

在功能分配上，采用可以下放的功能盡量下放的原則。凡是可以在本間隔內(nèi)就地完成的功能絕不依賴通訊網(wǎng)完成，這樣構(gòu)成的系統(tǒng)同以往的集中式系統(tǒng)相比有著明顯的優(yōu)點：可靠性提高、可擴(kuò)展性和靈活性提高以及站內(nèi)二次電纜簡化、節(jié)省投資。

3、智能設(shè)備的集成

在變電站自動化中存在一些促使設(shè)備集成的動力。首先，變電站自動化要求采用較少的設(shè)備完成更多的功能，其解決方法之一是安裝具有集成功能的智能電子設(shè)備。最基本的繼電保護(hù)lED就是一個例子，它集成了保護(hù)、測量、控制、錄波、事件順序記錄以及通信等功能。用一個設(shè)備完成所有這些功能，這樣就實現(xiàn)了設(shè)備整體費用的優(yōu)化，減少資金和運行維護(hù)費用。

另一個向集成化發(fā)展的動力是先進(jìn)的自適應(yīng)能力和系統(tǒng)控制性能。在這些先進(jìn)的性能中系統(tǒng)知識是非常有用的，它允許繼電保護(hù)IED動態(tài)改變運行參數(shù)。具有核心級的系統(tǒng)知識可以使系統(tǒng)的穩(wěn)定性和潮流都得到控制。

技術(shù)進(jìn)步也是向集成化發(fā)展的主要動力。微處理器、計算機(jī)通信及應(yīng)用軟件技術(shù)的飛速發(fā)展促成了集成系統(tǒng)的開發(fā)，將來的重點可能由硬件lED發(fā)展為“智能化”軟件。還有一個動力是為客戶服務(wù)。經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展要求越來越少的停電時間，電力公司內(nèi)部也

經(jīng)常為自身設(shè)定顧客電量利用率的目標(biāo)。對于這個目標(biāo)，系統(tǒng)集成給操作員和工程師提供了更多的信息，如在什么情況下允許系統(tǒng)快速恢復(fù)等。與有用的信息一起集成化的另一個好處是對誤操作的辨認(rèn)分析，對于由繼電保護(hù)或系統(tǒng)設(shè)計帶來的問題可以高效跟蹤和修改，從而可以提高整個系統(tǒng)的可靠性和可用性。

4、局域網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)

變電站內(nèi)智能電子設(shè)備的集成化設(shè)計策略采用了分布式功能配置的概念，因為分布式體系結(jié)構(gòu)可使任何規(guī)模的變電站具有可擴(kuò)充性。通過共享冗余得到了高可靠性、簡化的布線以及可選擇的性能升級能力。

在設(shè)計信息及數(shù)據(jù)通信的策略中，幾乎每一個制造商設(shè)計的IED都有以電氣工業(yè)協(xié)會(EIA)的RS一232或RS-485標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)的物理層接口，并在數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層用軟件完成系統(tǒng)與任何一個lED設(shè)備的連接，但隨著計算機(jī)局部網(wǎng)絡(luò)(LAN)技術(shù)的發(fā)展，越來越多的制造商把注意力集中在LAN上。采用計算機(jī)局域網(wǎng)技術(shù)可實現(xiàn)數(shù)據(jù)高速、可靠傳輸，可將過去集中處理的功能分散到各個節(jié)點去處理，并可以傳送大批量的數(shù)據(jù)，如故障錄波數(shù)據(jù)和圖像數(shù)據(jù)等。在變電站自動化系統(tǒng)中，采用局域網(wǎng)技術(shù)，將變電站內(nèi)的數(shù)據(jù)采集部分的各智能單元分別掛網(wǎng)運行，站內(nèi)自動化系統(tǒng)通過變電站層控制中心與各IED進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，以取得對現(xiàn)場lED設(shè)備的控制權(quán)，如斷路器的分／合、自動重合閘的開／閉、繼電保護(hù)裝置的參數(shù)設(shè)置、故障診斷、遠(yuǎn)程抄表等控制命令。這就要求IED設(shè)備滿足局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，I／O設(shè)備作為局域網(wǎng)上的一個節(jié)點。在實際采用計算機(jī)局域網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)上，一般存在著采用“工業(yè)以太網(wǎng)”和“現(xiàn)場總線”兩種不同的做法。

在90年代中期，國內(nèi)外曾掀起一場聲勢不小的“現(xiàn)場總線熱”，國家有關(guān)部門也撥款幾千萬元組成攻關(guān)課題。但在實際應(yīng)用中，還有許多共同的疑問。其中最主要是其標(biāo)準(zhǔn)問題?，F(xiàn)場總線有多種標(biāo)準(zhǔn)有兩個原因，首先是技術(shù)上的原因，即適用場合和用戶習(xí)慣原因。廣義的現(xiàn)場總線包括傳感器執(zhí)行器總線，亦稱I／0總線，其特點是信息簡單但傳輸速度快，其典型代表有基于CAN的DeviceNet，interbus－s等；另外還有設(shè)備總線可用于控制，其信息量大而且復(fù)雜，傳輸較慢，如基金會總線FF、HART、LonWorks和Profibus。而狹義的現(xiàn)場總線僅指后者。除此外不同行業(yè)有其傳統(tǒng)使用習(xí)慣。對價格和技術(shù)完善性有不同要求，再有是不同的總線標(biāo)準(zhǔn)往往和某些公司或公司集團(tuán)有內(nèi)在的商業(yè)利益關(guān)系。所以說最終現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)也不會形成一統(tǒng)天下的局面。就目前情況來看，在過程控制領(lǐng)域，基金會總線FF將占有最大的份額，而在其它離散控制領(lǐng)域尚不十分明朗。

如何在眾多的總線標(biāo)準(zhǔn)中，選擇一種合適的總線，既能滿足大數(shù)據(jù)量、傳輸速度快的要求，又要兼顧那些通訊相對少、實時性不很高的設(shè)備，以有效減少網(wǎng)絡(luò)負(fù)載。LonWorks在可靠性和傳輸速率上顯然達(dá)不到要求，HART用戶支持較少，不宜選擇；作為傳輸最快的總線Profibus在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹?shù)據(jù)吞吐量均表現(xiàn)出色，但其作為歐洲標(biāo)準(zhǔn)，在世界范圍特別是中國的支持不夠，尚不能普遍采用，F(xiàn)F雖然得到世界范圍內(nèi)的廣泛認(rèn)同，但所欠標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程仍遙遙無期。

以太網(wǎng)(Ethemet)經(jīng)過若干年的發(fā)展，技術(shù)上已經(jīng)十分成熟。隨著適合于工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用的嵌入式以太網(wǎng)微處理器的發(fā)展，以太網(wǎng)已可十分便利的應(yīng)用于變電站自動化場合。首先10M以太網(wǎng)具有目前國內(nèi)變電站自動化系統(tǒng)采用的網(wǎng)絡(luò)不可比擬的高速特點，可將系統(tǒng)信息快速交換；同時以太網(wǎng)在長期發(fā)展中以公認(rèn)的可靠性、安全性、靈活性著稱，如網(wǎng)絡(luò)節(jié)點均帶耐高壓的網(wǎng)絡(luò)隔離變壓器，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)靈活，支持多種通信媒介，可根據(jù)變電站的實際情況確定網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及選用通信媒介。在自動化系統(tǒng)升級時可將系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及媒介稍加改動甚至不改動的情況下平滑地使通信系統(tǒng)升級，節(jié)省開支，如升為100M快速以太網(wǎng)。

圖2為美國和歐洲一些國家普遍采用的變電站自動化系統(tǒng)的通信結(jié)構(gòu)。

傳統(tǒng)的變電站自動化產(chǎn)品供應(yīng)商們通過擴(kuò)充他們的RTU的通信能力，即具有多個串行通信口的增強(qiáng)式RTU來接收各種形式的智能變電站設(shè)備(IED)，包括計量表計、故障記錄和繼電保護(hù)等設(shè)備?，F(xiàn)代的變電站智能設(shè)備通過局域網(wǎng)建立了一個規(guī)模較大的變電站控制系統(tǒng)，以太網(wǎng)由于其優(yōu)越的性能被用做變電站LAN，變電站內(nèi)不同制造商的IED產(chǎn)品可以通過規(guī)約轉(zhuǎn)換器(network interface modules NIM)進(jìn)行連接，還有一部分IED產(chǎn)品可以直接掛網(wǎng)運行。NIM與底層的IED可以通過廉價的BS485方式相連，規(guī)約采用標(biāo)準(zhǔn)的IEC870-5-103變電站內(nèi)繼電保護(hù)配套規(guī)約，IEC870-5-103規(guī)約在歐洲和其他一些受IEC影響的國家被普遍采用，我國國家電力公司也把該規(guī)約作為變電站內(nèi)的配套標(biāo)準(zhǔn)規(guī)約。

5、智能電子設(shè)備的發(fā)展目標(biāo)和變電站自動化的趨勢展望

變電站自動化系統(tǒng)與其它工業(yè)自動化領(lǐng)域一樣，正沿著“分布化、智能化、集成化、可視化和協(xié)調(diào)化”的方向發(fā)展。這就給智能電子設(shè)備提出了更高的目標(biāo)，這主要體現(xiàn)在以下幾點：

5.1可互操作性：當(dāng)前和將來都可以與任意一個生產(chǎn)廠家的IED進(jìn)行通信。

5.2即插即用：所有連在LAN上的設(shè)備將由系統(tǒng)自動識別。

5.3可靠性／安全／可信性：這是基本的繼電保護(hù)特性，目的是使整個系統(tǒng)達(dá)到同一水平。

5.4開放性：提供一個變電站自動化系統(tǒng)的平臺。

5.5冗余度；任何單一的部件故障不會影響整體系統(tǒng)性能。

5.6智能化：提供一個人工智能的應(yīng)用平臺；通過這個功能實現(xiàn)故障分析、選擇性的數(shù)據(jù)和電力系統(tǒng)配合。

5.7自動化：通過嵌入算法軟件或按用戶定義的控制順序提供未來的自動控制功能。對于繼電保護(hù)設(shè)備，可通過用戶自定義的計算方法和動作次序支持未來的自適應(yīng)繼電保護(hù)功能。

5.8靈活性／可擴(kuò)充性：對于當(dāng)前的硬、軟件系統(tǒng)設(shè)計要考慮到將來的擴(kuò)充，應(yīng)當(dāng)易于修改。

智能電子設(shè)備的采用，將徹底改變常規(guī)繼電保護(hù)、自動裝置及測量儀表等的單一功能結(jié)構(gòu)，變?yōu)榘ɡ^電保護(hù)、過程自動化、錄波、計量、測控等多功能智能化設(shè)備的變電站自動化系統(tǒng)。由于現(xiàn)場設(shè)備的高智能、多功能，使得主控系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)得以分散，實現(xiàn)了徹底的分散控制保護(hù)及自動化，由此可極大提高控制、保護(hù)、自動化系統(tǒng)的可靠性、自治性、靈活性。

由分布式的智能設(shè)備構(gòu)成的變電站自動化系統(tǒng)帶來的另一個好處是可以取消常規(guī)變電站所使用的控制屏、中央信號屏等集中控制設(shè)備。對于35kV及以下的電壓等級的現(xiàn)場智能設(shè)備可以集合安裝于開關(guān)柜上；對于110kV及以上電壓等級的現(xiàn)場智能設(shè)備可以按各個控制對象即變電站內(nèi)一次電氣設(shè)備元件按單元安裝在各電壓等級的開關(guān)場地內(nèi)或“保護(hù)小間”。現(xiàn)代技術(shù)已解決了電磁干擾、振動、溫度、灰塵等對lED的影響，只需用計算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)把它們聯(lián)起來再與變電站層的主系統(tǒng)連接，這樣做可大量減少控制信號電纜，也減少了組屏建筑面積。

智能電子設(shè)備的采用還使得變電站一、二次設(shè)備結(jié)合成為現(xiàn)實。如果把現(xiàn)場智能設(shè)備的控制保護(hù)的一次設(shè)備對象的CT、PT，開關(guān)、刀閘等的操作機(jī)構(gòu)箱、主變壓器等設(shè)備也采用網(wǎng)絡(luò)通信方式相連，就可以取消控制信號電纜，僅僅保留開關(guān)操作機(jī)構(gòu)跳、合閘所需的高壓交、直流電源的動力電纜，從而可以使現(xiàn)場智能設(shè)備采用低壓電源，提高了設(shè)備的抗干擾能力；另外通信網(wǎng)還可以將設(shè)備豐富的信息及數(shù)據(jù)上傳，便于事故分析和狀態(tài)監(jiān)視，還可構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)式的防誤閉鎖和安全保障系統(tǒng)，從而提高整個分布式變電站自動化系統(tǒng)的可靠性、先進(jìn)性和優(yōu)越性。

計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信、交換技術(shù)的發(fā)展，還使得變電站內(nèi)部的LAN可以與廣域的WAN相連，WEB瀏覽技術(shù)使得電力系統(tǒng)的用戶在任何地方可以監(jiān)控變電站的運行情況。變電站自動化系統(tǒng)適應(yīng)Intemet／Intranet網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，就可以逐步實現(xiàn)開放式的通信體系結(jié)構(gòu)。

5、總結(jié)以上針對在開發(fā)變電站智能裝置以及相應(yīng)組成的變電站自動化系統(tǒng)的一些實踐經(jīng)驗，談了作者對變電站智能設(shè)備的集成與發(fā)展的一些理解和建議。其中有些建議和設(shè)計目標(biāo)還只是在設(shè)想階段，但相信現(xiàn)代計算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展一定會為實現(xiàn)上述目標(biāo)。